嫦娥四號(hào)月背軟著陸的重大意義

歐陽自遠(yuǎn)

在人類的歷史上，全球各國(guó)已進(jìn)行過100多次探月活動(dòng)，人類和無人探測(cè)器已經(jīng)成功著陸過月球數(shù)十次。月球有豐富的能源，利用月球巨大的太陽能發(fā)電和核聚變發(fā)電，能為人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展提供重要支撐，因此世界各國(guó)都在積極推進(jìn)探月工程。然而，從地球上看月球，看到的永遠(yuǎn)是朝向地球的半個(gè)月球，這是因?yàn)樵虑蜃赞D(zhuǎn)的周期與它繞地球公轉(zhuǎn)的周期是一樣的，因此月球始終只有相同的一面朝向地球，這導(dǎo)致我們地球上的人永遠(yuǎn)只能看到月球的正面，天文學(xué)上稱之為“潮汐鎖定”。數(shù)十年來，通過對(duì)月球正面的探測(cè)，人類基本掌握了月球正面演化的歷史，但是，月球背面記錄著月球更古老的歷史。人類利用繞月探測(cè)軌道器也對(duì)月球背面開展過地形地貌繪制以及觀測(cè)，如1959年蘇聯(lián)月球3號(hào)首次編制出第一幅月球背面影像圖，1968年美國(guó)阿波羅8號(hào)第一次實(shí)施了載人環(huán)月飛行，觀測(cè)月球背面的地形地貌。但是，在此次嫦娥四號(hào)造訪前，從來沒有人類探測(cè)器在月球背面進(jìn)行過軟著陸，月球背面是著陸探測(cè)史上的空白。

人類跨出了新的一步

對(duì)于人類而言，月球背面仍猶如一個(gè)秘境，有許多未知等待探測(cè)。一方面，月球背面的地質(zhì)情況與正面有所不同，研究探索月球背面的地質(zhì)演化歷史，對(duì)理解月球的形成和長(zhǎng)達(dá)45億年的歷史具有重要的意義。另一方面，來自宇宙空間的電磁波只能被地球接收到一部分，而地球的電離層又對(duì)低頻輻射電磁波產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，低頻輻射電磁波難以在地球表面和月球正面被人類接收到。因此，科學(xué)家們一直希望找到一個(gè)地方去研究來自宇宙空間的低頻電磁信號(hào)，而月球背面正是接收低頻輻射的一個(gè)完美的場(chǎng)所。只有到月球背面去，才能夠獲得這些人類從未得到過的信息，而這些信息將蘊(yùn)藏豐富的科學(xué)內(nèi)容。

在世界各國(guó)積極推進(jìn)的探月工程中，中國(guó)的嫦娥四號(hào)在月球背面的首次軟著陸無疑代表著人類跨出了新的一步。2018年12月8日，嫦娥四號(hào)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功，不久后就成功進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道，開始向月球飛行的旅程。2019年1月3日，經(jīng)過20多天的太空飛行，嫦娥四號(hào)在月球背面的預(yù)選著陸區(qū)——南極-艾肯盆地內(nèi)的馮·卡門撞擊坑——成功著陸，成為世界第一個(gè)在月球背面軟著陸的探測(cè)器。探測(cè)器包括著陸器和月球車，著陸器開展原位探測(cè)，玉兔二號(hào)月球車開展巡視探測(cè)，兩者將開展聯(lián)合探測(cè)。

技術(shù)難題

嫦娥四號(hào)的首次月背著陸對(duì)我國(guó)軌道控制、著陸和通信技術(shù)提出了巨大挑戰(zhàn)。事實(shí)上，探月的每一步邁出，都需要攻克無數(shù)的科學(xué)技術(shù)難題。嫦娥四號(hào)的成功著陸顯然也是基于幕后不為人知的反復(fù)論證和嚴(yán)謹(jǐn)試驗(yàn)以及前面數(shù)次探月的實(shí)踐。

要實(shí)現(xiàn)月球背面著陸，首先要解決的問題就是通信上的障礙，即要與地球地面建立聯(lián)系。由于潮汐鎖定，月球背面的探測(cè)器無法和地球直接通信。為此，2018年5月，我國(guó)先把“鵲橋”月球中繼衛(wèi)星送入地月拉格朗日L2暈軌道，作為接下來嫦娥四號(hào)與地球進(jìn)行通信的橋梁。這也是人類首顆月球通信中繼衛(wèi)星。

其次，需要找準(zhǔn)合適的登月時(shí)機(jī)與角度。合適的時(shí)機(jī)指的是月球背面的晝夜時(shí)間。地球有晝夜之分，月球的正面和背面也有晝夜之分。嫦娥四號(hào)發(fā)射時(shí)，人們看到的月亮是個(gè)新月，即月球的正面剛天亮，而其背面則是寒冷的黑夜，不能實(shí)施軟著陸，需要等到月球背面是白天才能實(shí)施背面著陸。科研人員通過計(jì)算，計(jì)算出在2018年12月30日太陽將再次照射到預(yù)定落區(qū)，而此時(shí)嫦娥四號(hào)還需調(diào)整角度，等到真正著陸的時(shí)候，應(yīng)該是2019年的1月初，這一估算與嫦娥四號(hào)實(shí)際著陸的時(shí)間相吻合。

第三，要找準(zhǔn)著落的地點(diǎn)和環(huán)境。嫦娥三號(hào)的著陸區(qū)是月球正面的彩虹灣，那里地勢(shì)較為開闊、平坦，位于大型撞擊坑、月海、高地交匯地區(qū)，有利于勘察目標(biāo)的選擇，也有利于與地球的通信。相較于嫦娥三號(hào)，嫦娥四號(hào)的著落環(huán)境更為復(fù)雜，因?yàn)樵虑虮趁嫔椒辶至?，大坑套小坑，很難找出大一些、平坦一些的地方供嫦娥四號(hào)安身。嫦娥四號(hào)在凸凹不平的地方軟著陸，需要更準(zhǔn)確的著陸精度。這次選擇南極-艾肯盆地（一個(gè)月球背面南半球的直徑達(dá)2 480千米，深度為12.8千米的巨型撞擊盆地）的原因有幾個(gè)：首先是大，它是太陽系中目前已知的最大的撞擊盆地，可以幫助我們了解太陽系中的超大型撞擊事件的過程；其次是深，盆地深達(dá)約13千米，是月球上最深的撞擊盆地，這意味著當(dāng)年的撞擊事件很可能挖出了月殼深處甚至月幔的物質(zhì)，這些會(huì)是研究月球內(nèi)部成分的鑰匙；然后是古老，它形成于月球的前酒海紀(jì)（39.2億年前），是月球上最古老的大型撞擊盆地，盆地內(nèi)部最古老的巖石被裸露，可以直接探測(cè)它們的成分、形成年齡和環(huán)境，想要建立月球45億年的漫長(zhǎng)歷史，南極-艾肯盆地是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

主要任務(wù)

嫦娥四號(hào)此次登陸月球背面的主要科學(xué)任務(wù)之一是開展月球背面低頻射電天文觀測(cè)與研究。著陸器安裝了低頻射電頻譜儀，專門接收來自星系空間和太陽系空間的低頻和甚低頻輻射，填補(bǔ)0.1～40 兆赫范圍內(nèi)的射電觀測(cè)空白，還能與鵲橋中繼星上攜帶的我國(guó)與荷蘭合作研發(fā)的低頻射電探測(cè)儀協(xié)同觀測(cè)，互為驗(yàn)證和補(bǔ)充。經(jīng)過分析研究，獲取星系空間和太陽系空間的一些重大事件和過程的科學(xué)信息，我們期待有新的發(fā)現(xiàn)。

嫦娥四號(hào)登陸月球背面的主要科學(xué)任務(wù)之二是開展月球古老巖石的成分、類型和分布特征研究，進(jìn)一步充實(shí)月球的演化歷史。60年的月球探測(cè)歷史，使我們對(duì)月球正面演化歷史的認(rèn)識(shí)比較清晰，包括地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、巖漿活動(dòng)歷史、小天體撞擊歷史與過程、月球內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和全球偶極磁場(chǎng)的消失等。但是對(duì)月球背面的地質(zhì)演化歷史，特別是40億年以前的古老歷史仍然證據(jù)不足，期望通過月球背面的探測(cè)，構(gòu)筑月球演化的整體歷史，并對(duì)比月球正面與背面演化歷史的差異。月球車安裝的紅外線成像光譜儀探測(cè)巡視路徑中的各類古老巖石的礦物成分和類型，測(cè)月雷達(dá)探測(cè)巡視路徑中的淺層結(jié)構(gòu)。

嫦娥四號(hào)登陸月球背面的主要科學(xué)任務(wù)之三是探測(cè)月球背面及近月空間環(huán)境。著陸器上安裝有月表中子及輻射劑量探測(cè)器，月球車上安裝有中性原子探測(cè)儀，探測(cè)月球表面和近月空間的中子、中性原子和輻射劑量等環(huán)境參數(shù)。

對(duì)于月球背面的地形地貌特征研究，著陸器上安裝的地形地貌相機(jī)和月球車上安裝的全景相機(jī)能記錄拍攝月球背面著陸區(qū)與巡視區(qū)的地形地貌、撞擊坑大小與分布，因此規(guī)劃月球車的巡視探測(cè)路徑有重要意義。

我國(guó)的探月工程

為了更好理解嫦娥四號(hào)月背軟著陸的科學(xué)意義，有必要簡(jiǎn)要回顧一下我國(guó)探月工程的進(jìn)展脈絡(luò)。我國(guó)的無人探月工程分“繞、落、回”三期，“繞”是指環(huán)繞月球進(jìn)行不接觸月表探察，“落”是指著月探測(cè)，“回”是指在月球表面著陸，并采樣返回。

2007年，嫦娥一號(hào)繞月飛行，繪制了幾百?gòu)執(zhí)厥獾脑旅鎴D，最后形成一張全月地形影像圖，并做了月面的三維立體圖，這是全世界最好的立體圖。此外，嫦娥一號(hào)將月球外圍的近月空間環(huán)境以及月表各種巖石的成分、類型和分布都探測(cè)得很清楚。月球上有一種資源，被稱為人類未來的終極能源——核聚變發(fā)電的原料氦-3。這種資源地球上幾乎沒有，而月球的土壤里極其豐富。據(jù)我們探測(cè)，月球上的氦-3大約是120萬噸。在核聚變發(fā)電得以實(shí)現(xiàn)時(shí)，全世界一年的能源需求大約需要氦-3的用量為100噸，月球的氦-3至少可以解決全人類未來數(shù)千年的能源需求，這是人類的財(cái)富。

嫦娥四號(hào)著陸器與月球車

嫦娥五號(hào)模擬圖

2010年發(fā)射的嫦娥二號(hào)飛行高度是距離月面100千米，照相機(jī)的分辨率可以達(dá)到7米，可以看清楚撞擊坑的壁和底。它完成了一幅7米分辨率的全月球數(shù)字影像圖和三維立體圖，這個(gè)數(shù)字影像圖在空間分辨率、影像質(zhì)量、數(shù)據(jù)一致性和完整性、鑲嵌精度等方面優(yōu)于國(guó)際同類全月球數(shù)字產(chǎn)品，是目前最高水平的全月球數(shù)字影像圖。嫦娥二號(hào)在全月球的巖石成分、類型、分布以及近月空間環(huán)境的探測(cè)等方面取得了系統(tǒng)性和前所未有的重大成果。后來，嫦娥二號(hào)又飛到離地球150萬千米以外的太陽-地球引力動(dòng)態(tài)平衡的拉格朗日L2點(diǎn)，監(jiān)測(cè)太陽活動(dòng)與太陽爆發(fā)235天，得到了世界上有關(guān)太陽活動(dòng)與爆發(fā)的最多的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。繼而嫦娥二號(hào)飛離地球702萬千米，2012年12月1日首次與圖塔蒂斯小行星交會(huì)（交會(huì)間距870米，相對(duì)速度 10.73千米/秒，最高分辨率 10米），探測(cè)小行星的形狀、大小和結(jié)構(gòu)等（首次探明小行星的大小為 4.46 千米×2.4千米） 。當(dāng)前，嫦娥二號(hào)已經(jīng)成為一個(gè)人造小天體，圍繞太陽運(yùn)行，離開地球4億多千米。2029年，嫦娥二號(hào)還將回歸地球附近。

2013年發(fā)射的嫦娥三號(hào)剛好降落在月球雨海的彩虹灣里。在月球上著陸，由于月球表面是真空的，用降落傘毫無意義。探測(cè)器著陸下降時(shí)會(huì)受到月心引力的加速度作用越掉越快，最后將撞擊月面摔得粉碎。為此，嫦娥三號(hào)著陸器底部安裝了發(fā)動(dòng)機(jī)，一邊往下掉的同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)在往上推，讓它慢慢掉下來，掉到距月面100米的高度懸停移動(dòng)，拍攝了3 764張著陸區(qū)照片。著陸器上配置的高智能計(jì)算機(jī)立即分析判斷，尋找安全的著陸位置。嫦娥三號(hào)開辟了中國(guó)在月球上“巡天、觀地、測(cè)月”的歷史。著陸器上配置了近紫外光學(xué)望遠(yuǎn)鏡，是人類首次在月球上進(jìn)行天文觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)了很多天文事件的新證據(jù)；著陸器上配置的遠(yuǎn)紫外照相機(jī)，實(shí)現(xiàn)了人類第一次在月球上觀測(cè)地球和地球等離子體層的變化：在距離地球最近的天體上看到地球在慢慢轉(zhuǎn)，24小時(shí)轉(zhuǎn)一圈，看到它外面所有的結(jié)構(gòu)，等離子體層一層一層地變化，我們就能知道地球?qū)l(fā)生什么環(huán)境變化；在月球車的底部安裝了一臺(tái)雷達(dá)，是人類第一次用雷達(dá)探測(cè)月球車所經(jīng)歷的路線下的次表層結(jié)構(gòu)。

我國(guó)“繞、落、回”探月工程的第一階段馬上就要完成了，最后一顆嫦娥五號(hào)預(yù)計(jì)將于2019年在海南島文昌發(fā)射，并著陸在月球上的一個(gè)新位置，這個(gè)位置有很多新的科學(xué)問題，人類從不知道那一帶的情況。嫦娥五號(hào)將實(shí)現(xiàn)月球物質(zhì)自動(dòng)取樣返回。預(yù)計(jì)采集2千克到3千克的樣品，供全國(guó)的科學(xué)家進(jìn)行研究。

從嫦娥一號(hào)到嫦娥五號(hào)，我們既可以去月球，也可以安全著陸月面，還可以安全返回地球。我們有能力將中國(guó)的航天員送上月球，實(shí)施載人登月，完成科學(xué)考察任務(wù)之后，安全返回地球。將來我們還希望在月面建立固定的月球科學(xué)探測(cè)基地。

下一步的深空探測(cè)計(jì)劃

2020年，我們將會(huì)開始火星的探測(cè)。為什么是2020年呢？我們知道地球繞太陽轉(zhuǎn)一圈365天，火星繞太陽轉(zhuǎn)一圈687天，有時(shí)候地球在太陽的一邊，而火星在太陽的另一邊，我們無法過去，所以一定要在恰好的位置才能發(fā)射探測(cè)器到火星，探測(cè)器飛行7個(gè)月左右到火星。每26個(gè)月才有一次機(jī)會(huì)，所以我們一定要把握好2020年這個(gè)窗口期。

事實(shí)上，地球有很多潛在的自然威脅，如小天體撞擊地球、人類自己的錯(cuò)誤行為等誘發(fā)氣候、生態(tài)和環(huán)境災(zāi)變以及生物物種滅絕事件等。如果地球不能居住了，我們一定要給人類準(zhǔn)備第二個(gè)棲息地，最好的選擇就是改造火星。

因此我們想知道，火星上有沒有生命，火星的環(huán)境是怎么樣的，需要如何去改造火星，讓它變成第二個(gè)地球。也許人類通過幾個(gè)世紀(jì)的卓絕努力，能將這顆貧瘠的行星改造成一個(gè)擁有蔚藍(lán)天空、綠色平原和藍(lán)色湖泊的生態(tài)環(huán)境友好的、生機(jī)盎然的新世界，地球-火星將成為人類社會(huì)持續(xù)發(fā)展的姐妹共同體。而到目前為止，人類還沒有從火星上取回一克樣品，我們中國(guó)將爭(zhēng)取帶頭著陸火星并把樣品帶回地球。2020年我們將發(fā)射一個(gè)衛(wèi)星，繞火星飛行并進(jìn)行遙感探測(cè)；進(jìn)一步通過這顆衛(wèi)星向火星釋放火星車，在火星表面開展巡視探尋；兩者結(jié)合開展火星天地聯(lián)合探測(cè)，更多地了解火星的情況。

太陽系有八大行星，我們現(xiàn)在可以到火星了，今后我們還要去木星，我們要飛到盡可能多的太陽系的行星上，開展行星際穿越探測(cè)。我們想知道太陽系是怎么起源的，如何規(guī)避天體對(duì)地球的威脅，行星上的資源是否能為人類社會(huì)的持續(xù)發(fā)展做貢獻(xiàn)，等等?；鹦侵懷惨暫腿臃祷亍⑿⌒行翘綔y(cè)、木星及其他行星之間的穿越和木星衛(wèi)星的探測(cè)，這些都是我們列入計(jì)劃、希望要開展的探測(cè)。

空間時(shí)代的到來，是我們?nèi)祟惐厝粫?huì)邁向的一個(gè)康莊大道，也是科技發(fā)展的又一個(gè)重要的未知領(lǐng)域。比之于幾十年前的兩手空空、有心無力，今天的中國(guó)，已經(jīng)向深空探測(cè)邁出了實(shí)實(shí)在在的一大步。今后中國(guó)一定會(huì)飛得更遠(yuǎn)，向探測(cè)整個(gè)太陽系進(jìn)發(fā)！